[Đảo nhiệt đô thị]: Gia tăng mức tiêu thụ năng lượng (Bài 1)

TMO – Tại Trung Quốc, với sự phát triển nhanh chóng, tốc độ đô thị hoá, dân số gia tăng mạnh, mật độ xây dựng đô thị ngày càng cao, khiến bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời cùng với rất nhiều lượng nhiệt thải nhân tạo rất lớn trong đô thị, đã làm cho nhiệt độ ở khu vực đô thị tăng cao hơn nhiệt độ ở các khu vực nông thôn xung quanh, hiện tượng này thường xảy ra vào các ngày nắng nóng và thông gió kém, được gọi là hiện tượng đảo nhiệt đô thị (UHI). Tình trạng này đã khiến Trung Quốc phải gia tăng mức độ tiêu thụ năng lượng để phục vụ nhu cầu sinh hoạt, sản xuất…

Trung Quốc là một nước rộng lớn trên thế giới, với chiều dài Bắc-Nam khoảng 5500km và chiều rộng Đông-Tây khoảng 5000km, diện tích 9.597km2, đứng thứ 3 trên thế giới, sau Liên bang Nga (17.075 km2) và Canada (9.971 km2), rộng gấp 30 lần Việt Nam. Dân số Trung quốc đã vượt qua mốc 1,4 tỷ người và gấp 15 lần Việt Nam. Trung Quốc có năm loại khí hậu chính, được đặc trưng bởi nhiều loại khí hậu và khí hậu gió mùa đáng chú ý, bao gồm khí hậu lục địa ôn đới, khí hậu gió mùa ôn đới, khí hậu gió mùa cận nhiệt đới, khí hậu nhiệt đới gió mùa và khí hậu núi cao nguyên. 

Trong khoảng hơn 40 năm trở lại đây tốc độ đô thị hóa ở Trung Quốc nhanh chóng như vũ bão, đứng hàng đầu thế giới, dân số đô thị đã tăng từ khoảng 200 triệu người lên khoảng 700 triệu người. Theo số liệu của World Urbanization Prospets, 2024, tỷ lệ dân số đô thị của Trung Quốc năm 1980 mới đạt 19,4%, năm 2000 đã tăng lên đạt khoảng 36,2% và đến năm 2010 đã đạt 50%. Dự báo đến năm 2050 tỷ lệ dân số đô thị Trung Quốc đạt tới 80%.

Tốc độ đô thị hóa ở Trung Quốc trong hơn 40 năm qua đứng đầu thế giới.

Đô thị hóa mạnh mẽ cùng với tăng trưởng kinh tế đô thị vượt bậc cũng đứng đầu thế giới (theo ước tính tại Hội nghị Kinh tế số toàn cầu, 2023, quy mô nền kinh tế số của Trung Quốc đã tăng tới 50,2 nghìn tỷ nhân dân tệ (khoảng 6,96 nghìn tỷ USD) vào năm 2022, với tốc độ tăng trưởng hai con số hằng năm là 14,2% kể từ năm 2016, tổng sản phẩm quốc nội hiện nay của Trung Quốc đã đứng thứ 2 thế giới chỉ sau Mỹ, đã cộng tác động làm phát sinh các hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island – UHI) mạnh mẽ ở rất nhiều đô thị của Trung Quốc, nhất là các đô thị ở vùng khí hậu gió mùa cận nhiệt đới và vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa.

Đô thị hóa càng mạnh, mật độ xây dựng đô thị càng cao, nhiều diện tích đất trong đô thị vốn là vùng đất thấm nước, đất cây xanh, đất ngập nước, đô thị hóa đã biến chúng thành đất công trình xây dựng tập trung, làm tăng gấp bội bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời (BXMT), cùng với rất nhiều lượng nhiệt thải nhân tạo rất lớn trong đô thị, như là lượng nhiệt thải từ các thiết bị làm mát đô thị (như là các hệ thống thiết bị điều hòa không khí (ĐHKK), các lượng nhiệt phát thải từ các hệ thống giao thông vận tải ở đô thị, cả lượng nhiệt phát thải từ sản xuất công nghiệp và từ các ngành sản xuất khác, v. v… đã làm cho nhiệt độ ở khu vực đô thị tăng cao hơn nhiệt độ ở các khu vực nông thôn xung quanh, hiện tượng này thường xảy ra vào các ngày nắng nóng và thông gió kém và được gọi là hiện tượng đảo nhiệt đô thị (UHI). 

Hiệu ứng UHI làm tăng cao nhiệt độ khu vực đô thị, làm tăng tiêu thụ năng lượng để làm mát đô thị, làm tăng phát thải khí nhà kính (CO2) gia tăng biến đổi khí hậu (BĐKH). Hiện tượng UHI có nhiều tác động xấu đến các hệ sinh thái và kinh tế-xã hội đô thị, giảm tiện nghi nhiệt, làm giảm chất lượng không khí đô thị, chất lượng sống ở đô thị, hiệu ứng UHI làm tăng cao nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của cư dân đô thị, nhất là đối với những người lao động ở ngoài trời, người già yếu và trẻ em. Vì vậy hiệu ứng UHI là một trong các vấn đề quan trọng toàn cầu trong thời đại BĐKH hiện nay [1].

Diễn biến nhiệt độ trên mặt cắt qua các khu vực đô thị và nông thôn xung quanh (EPA, 2008).

Trong khoảng 15 năm qua Trung quốc đã phát hiện rất nhiều UHI hình thành ở nhiều thành phố, chủ yếu là các thành phố ở miền Đông và miền Nam Trung Quốc. Vì vậy trong 15 năm qua rất nhiều nhà khoa học và quản lý của Trung Quốc đã rất quan tâm nghiên cứu ứng phó với hiệu ứng UHI, hàng trăm công trình nghiên cứu khoa học về UHI đã được tiến hành với 4 phương pháp sau: i) Phương pháp quan trắc khí tượng là phương pháp sử dụng dữ liệu khí tượng dài hạn từ cả thời kỳ trước và sau đô thị hóa, cũng như dữ liệu khí tượng trong đô thị và ở ngoại ô ở cùng kỳ; ii) Sử dụng các phép đo cố định hoặc phương pháp đo di chuyển ngang là phương pháp sử dụng các trạm quan trắc thời tiết mini di động hoặc di chuyển ngang tập trung vào dữ liệu ngắn hạn để đánh giá UHI; iii) Phương pháp viễn thám là phương pháp được thực hiện bằng cách sử dụng ảnh nhiệt từ vệ tinh, dữ liệu vệ tinh thường được sử dụng là MODIS (1 km), ASTER (90 m), Landsat-5-TM (120 m), Landsat-7-ETM+ (60 m) và Landsat-8-OLI/TIRS (100 m); trong số đó, nhiều nhà nghiên cứu sử dụng dữ liệu MODIS và Landsat TM/ETM+/OLI để nghiên cứu UHI với quyền truy cập mở vào việc thu thập dữ liệu và phạm vi không gian của khu vực nghiên cứu; và iv) Phương pháp mô phỏng số là phương pháp dự đoán các thông số môi trường khác nhau (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió) trong không gian đô thị.

Dữ liệu đo nhiệt độ không khí hoặc nhiệt độ bề mặt thực tế thường được sử dụng làm điều kiện bên trong tính toán mô phỏng số, kết quả của nghiên cứu mô phỏng số được so sánh với dữ liệu đo được để phân tích và tối ưu hóa. Trong đó phương pháp viễn thám được các nhà khoa học Trung Quốc sử dụng nghiên cứu UHI nhiều nhất trong 15 năm qua.  Phần lớn các nghiên cứu về UHI ở Trung Quốc trong thời gian qua đã sử dụng phương pháp viễn thám. Ở biểu đồ 2 cho tỷ lệ (%) các nghiên cứu UHI theo phương pháp viễn thám phân bố theo từng địa phương, như là Bắc kinh: 11%, Thượng Hải: 11%, Nam Kinh: 11%, Vũ Hán: 11%, Quảng Châu: 5%, Tây An : 9%, Hàng Châu: 4%, Thâm Quyến: 4%, cụm Đô thị đồng bằng sông Dương Tử: 18%, nghiên cứu các vấn đề có tính toàn quốc: 7%, và ở các đô thị khác: 9%.

Trong bài báo này sẽ tập trung giới thiệu 2 vấn đề đạt thành quả lớn nhất trong nghiên cứu UHI ở Trung Quốc trong 15 năm gần đây, đó là vấn đề đánh giá tác động của UHI làm tăng tiêu thụ năng lượng sử dụng trong các công trình xây dựng và các phương pháp ứng phó hiệu quả đối với UHI.

Cho tỷ lệ (%) các nghiên cứu UHI theo phương pháp viễn thám phân bố theo từng địa phương, dựa trên phân tích hàng trăm công trình khoa học nghiên cứu về UHI đã được công bố ở Trung Quốc trong 15 năm gần đây [3].

Tình trạng UHI ở Trung Quốc hiện nay

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng ở Trung Quốc đã mang lại lợi nhuận khổng lồ cho các bên liên quan, nhưng đã gây ra nhiều vấn đề về môi trường, xã hội và quản trị đô thị. Do sự phát triển nhanh chóng của Trung Quốc, mức tiêu thụ năng lượng của Trung Quốc cũng tăng lên đáng kể. Theo thống kê, mức tiêu thụ năng lượng trong công trình xây dựng hiện chiếm 27,5% tổng mức tiêu thụ năng lượng của Trung Quốc và dự kiến ​​sẽ chiếm khoảng 40% trong 20 năm tới. UHI, như một dấu hiệu cho thấy ảnh hưởng của đô thị hóa đối với môi trường nhiệt đô thị, đang dần dần gia tăng tiêu thụ năng lượng trong xây dựng ở Trung Quốc.

Phạm vi các khu vực bị ảnh hưởng bởi UHI chủ yếu dựa vào quá trình phát triển đô thị hóa chung, UHI khác nhau giữa các thành phố ở Trung Quốc do trình độ phát triển và điều kiện khí hậu khác nhau. UHI trong cùng một thành phố cũng khác nhau do các phương án quy hoạch xây dựng đô thị khác nhau. Chu và cộng sự, vào năm 2019, nhận thấy rằng nhiệt độ bề mặt dưới của UHI trung bình hàng năm cao hơn lớp tán phía trên UHI bằng cách so sánh sự thay đổi UHI của ba thành phố ở miền đông Trung Quốc (Bắc Kinh, Thượng Hải và Quảng Châu). Yao và cộng sự , năm 2017, nghiên cứu xu hướng thời gian của bề mặt dưới của UHI tại 31 thành phố lớn ở Trung Quốc, nhận thấy nhiệt độ bề mặt dưới của UHII của các thành phố phía Nam vào các giờ ban ngày mùa Hè và mùa Đông đều cao hơn các thành phố ở phía Bắc, trong khi điều ngược lại xảy ra vào các đêm mùa Hè và mùa Đông, phù hợp với kết quả nghiên cứu của Chu và cộng sự năm 2014. 

Tác động của UHI làm gia tăng mức tiêu thụ năng lượng trong các công trình xây dựng ở Trung Quốc

Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng tiêu thụ năng lượng của các công trình xây dựng chiếm khoảng 47% tổng mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp ở Thụy Sĩ, 42% ở Brazil, 40% ở Mỹ, 39% ở Anh, 25% ở Nhật Bản và 23% ở Tây Ban Nha [2]. Ở Trung Quốc, nhu cầu năng lượng trong xây dựng chiếm khoảng 24,1% tổng năng lượng sử dụng quốc gia vào năm 1996, đạt 27,5% vào năm 2001 và dự kiến ​​sẽ đạt khoảng 35% vào năm 2020 [2]. Hiệu ứng UHI được coi là một trong những yếu tố quan trọng thúc đẩy mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà bằng cách tăng nhu cầu làm mát không gian vào mùa Hè và giảm nhu cầu sưởi ấm không gian trong mùa Đông [3]. Là hệ quả của hiệu ứng UHI, nhiệt độ đô thị tăng lên ảnh hưởng trực tiếp đến việc sử dụng năng lượng làm mát cho các tòa nhà. Li và cộng sự [3] đã xem xét các tài liệu hiện có về tác động của UHI đối với mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà và nhận thấy rằng UHI đã tăng mức tiêu thụ năng lượng làm mát trung bình lên 19,0% ở cấp quốc gia, khu vực và toàn cầu. Tác động của UHI đến mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà phụ thuộc phần lớn vào khí hậu địa phương, đặc điểm khu vực đô thị nơi tòa nhà tọa lạc, cũng như loại hình và đặc điểm của tòa nhà. Ở các khu vực đô thị có điều hòa không khí thống trị, UHI có thể khiến mức tiêu thụ năng lượng làm mát tăng khoảng 10–16%.

Các vùng khí hậu khác nhau có nhu cầu khác nhau về năng lượng làm mát hoặc sưởi ấm. So với khu vực nông thôn, UHI ở khu vực thành thị của Bắc Kinh tăng tải làm mát lên 11% và giảm tải sưởi ấm lên 16% [4]. Tương tự, hiệu ứng UHI đã làm tăng nhu cầu năng lượng ĐHKK lên khoảng 10% ở Hồng Kông. Ngoài ra, ảnh hưởng của UHI đến mức tiêu thụ năng lượng của các công trình xây dựng khác nhau tùy theo chủng loại công trình xây dựng. Các nghiên cứu ở Nam Kinh, Trung Quốc năm 2017, đã chỉ ra rằng trong cùng thời gian nghiên cứu, tải làm mát của tòa nhà văn phòng tăng 4,0–7,1%, trong khi tải làm mát của tòa nhà chung cư tăng 11,2–25,2%. Ảnh hưởng của UHI đến mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà cũng khác nhau giữa trung tâm đô thị và vùng ngoại ô đô thị. Kết quả của Chu và cộng sự, 2017, cho thấy chỉ số tải nhiệt của các tòa nhà nằm ở trung tâm thành phố trong mùa Đông thấp hơn 1,5–5,0% so với các tòa nhà ở vùng ngoại ô. Mức tiêu thụ năng lượng sưởi ấm trung bình của các tòa nhà nằm ở trung tâm thành phố giảm 5,04% với UHII tăng 1,0 °C.

Bài tiếp: Chiến lược giảm thiểu tác động của đảo nhiệt đô thị (Bài 2)

GS.TSKH. Phạm Ngọc Đăng

(Phó Chủ tịch Hội Bảo vệ Thiên nhiên và Môi trường Việt Nam) 

ThS. Trần Thị Minh Nguyệt (Đại học Xây dựng Hà Nội)

Tài liệu tham khảo

1. Phạm Ngọc Đăng. Đề xuất các giải pháp ứng phó với đảo nhiệt đô thị để bảo vệ sức khỏe thị dân và thích ứng với biến đổi khí hậu. Tạp chí Môi trường, sổ tháng 12 năm 2024.

2. Liu Tian, Yongcai Li, Jun Lu, and Jue Wang. Review on Urban Heat Island in China: Methods, Its Impact on Buildings Energy Demand and Mitigation Strategies. Sustainability January 2021, 13(2), 762; https://doi.org/10.3390/su13020762

3. Li, X.; Zhou, Y.; Yu, S.; Jia, H.; Li, H.; Li, W. Urban heat island impacts on building energy consumption: A review of approaches and findings. Energy 2019, 174, 407–419. [Google Scholar]

4. Cui, Y.; Yan, D.; Hong, T.; Ma, J. Temporal and spatial characteristics of the urban heat island in Beijing and the impact on building design and energy performance. Energy 2017, 130, 286–297. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Versions]

5. Zhang, B.; Xie, G.; Gao, J.; Yang, Y. The cooling effect of urban green spaces as a contribution to energy-saving and emission-reduction: A case study in Beijing, China. Build. Environ. 2014, 76, 37–43. [Google Scholar] [CrossRef]

6. Tam, V.W.Y.; Wang, J.; Le, K.N. Thermal insulation and cost effectiveness of green-roof systems: An empirical study in Hong Kong. Build. Environ. 2016, 110, 46–54. [Google Scholar] [CrossRef]

7. Peng, L.L.H.; Jim, C.Y. Economic evaluation of green-roof environmental benefits in the context of climate change: The case of Hong Kong. Urban For. Urban Green. 2015, 14, 554–561. [Google Scholar] [CrossRef]

8. Gao, Y.; Shi, D.; Levinson, R.; Guo, R.; Lin, C.; Ge, J. Thermal performance and energy savings of white and sedum-tray garden roof: A case study in a Chongqing office building. Energy Build. 2017, 156, 343–359. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]

9. Zhang, L.; Deng, Z.; Liang, L.; Zhang, Y.; Meng, Q.; Wang, J.; Santamouris, M. Thermal behavior of a vertical green facade and its impact on the indoor and outdoor thermal environment. Energy Build. 2019, 204, 109502. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Xing, Q.; Hao, X.; Lin, Y.; Tan, H.; Yang, K. Experimental investigation on the thermal performance of a vertical greening system with green roof in wet and cold climates during winter. Energy Build. 2019, 183, 105–117. [Google Scholar] [CrossRef]